Londres est un point central du réseau ferroviaire britannique avec 14 gares reparties dans la ville proposant des services de banlieue, grandes lignes, liaisons internationales et liaisons avec les principaux aéroports. La plupart des zones de l'agglomération non desservies par le métro ou le DLR sont accessibles par rail depuis une des gares centrales.
Ces 14 gares sont Blackfriars, Cannon Street, Charing Cross, Euston, Fenchurch Street, King's Cross, Liverpool Street, London Bridge, Moorgate, Marylebone, Paddington, St. Pancras, Victoria et Waterloo.
Londres est au cœur d'un vaste réseau de trains de banlieue déservant à la fois le centre de la ville et toute l'aire urbaine l'entourant. Chacune des gares centrales est le terminus d'un réseau qui dessert un secteur particulier de la vaste agglomération londonienne. La majorité des personnes rejoignant le centre ville (environ 80% sur 1,1 millions) utilise soit le métro (400 000 personnes par jour), soit le train (860 000 personnes par jour).
Bien que la plupart des services de banlieue s'arrêtent aux terminus, quelques lignes font exceptions et poursuivent leur route plus loin au centre de la ville. La gare de London Bridge est un terminus mais quelques lignes permettent de continuer et de rejoindre des gares plus centrales, comme celles de Cannon Street ou de Charing Cross par exemple. Ces lignes se poursuivent jusqu'à la gare de Waterloo Est, reliée à la gare de Waterloo par une passerelle. Le service Thameslink de First Capital Connect traverse la gare de London Bridge et le centre ville en passant par les gares de Blackfriars, City Thameslink, Farringdon et King's Cross Thameslink. Ces services relient les banlieues nord et sud de la ville mais également des cités plus distantes comme Brighton, sur la côte sud, et Bedford, au nord.
En plus des lignes radiales à destination de Londres, il existe des lignes reliant les banlieues entre elles. La West London Line traverse West London et permet de rejoindre Croydon, Brighton et l'aéroport de Gatwick depuis les banlieues nord-ouest. La North London Line traverse North London depuis Richmond à l'ouest jusqu'à Stratford à l'est. La Gospel Oak to Barking Line relie elle North London à la banlieue nord-est. Des travaux sont également en cours pour étendre la East London line, la transformer en ligne ferroviaire reliant le nord-est de Londres au sud, pour à terme en faire une ligne circulaire ceinturant et desservant la banlieue. Depuis novembre 2007, le Department for Transport a cédé à Transport for London (TfL) le contrôle de toutes ces lignes ainsi que de la Watford DC Line (à partir de la gare de Euston) depuis renommée en London Overground.
Les trains grandes lignes ne partent pas de toutes les gares situées à Londres mais, comme pour les trains de banlieue, chaque gare dessert une région particulière du pays.
Eurostar est un service ferroviaire international qui relie la gare de Saint-Pancras à la gare du Nord à Paris (France) ainsi qu'à la gare de Bruxelles-Midi (Belgique). Les TGV Eurostar empruntent le Channel Tunnel Rail Link, ligne à grande vitesse ouverte en intégralité en novembre 2007 et rebaptisée High Speed 1, avec deux arrêts supplémentaires à Ebbsfleet et Stratford, ce dernier ouvert à partir de 2009. D'autres trains de banlieue à grande vitesse (225 km/h) reliant la capitale au Kent utiliseront une partie de ces voies à partir de 2009.
Les aéroports d'Heathrow, Gatwick et Stansted sont déservis par un propre service de train (bien que des trains de banlieue déservent également ces deux derniers). Heathrow Express relie l'aéroport à la gare de Paddington et est géré par le gestionnaire aérien BAA plc tandis que Gatwick Express, depuis la gare Victoria, et Stansted Express, depuis la gare de Liverpool Street, sont gérés par des compagnies ferroviaires classiques.
La plupart des transports nationales et internationales en car sont déservis par la gare routière Victoria.